Analysis of thermohydraulic spalling in low-clinker blended cement concrete

Betonbauwerke unter Brandlast, insbesondere Tunnelbauwerke, neigen zu explosionsartigem Ab
platzen. Durch das Abplatzen reduziert sich der tragende Querschnitt und die Bewehrungslage
kann freigelegt werden, was die Tragwerkssicherheit des Gebäudes erheblich beeinträchtigt.
Gleichzeitig versucht die Zementindustrie, die CO₂-Emissionen, die bei der Herstellung von Port
landzementklinker entstehen, durch den Einsatz klinkereffizienter Zemente zu reduzieren. Bei
diesen Zementen werden Teile des Klinkers durch Zusatzstoffe ersetzt, wodurch der CO₂-Fußab
druck deutlich verringert werden kann. ... mehrDie wachsende Popularität löst jedoch Bedenken hinsicht
lich des Hochtemperaturverhaltens von Betonen mit diesen Zementen aus. Das Abplatzen basiert
auf thermomechanischen und thermohydraulischen Mechanismen. Die Zementart beeinflusst die
Mikrostruktur, das Feuchtetransportverhalten sowie das Dehydrationsverhalten der Zementstein
matrix. All diese Faktoren sind an thermohydraulischen Prozessen beteiligt.
Diese Dissertation beinhaltet eine ganzheitliche Analyse des Abplatzverhaltens von Betonen mit
klinkereffizienten Zementen. Ziel war es herauszufinden, wie diese Zemente das Abplatzverhal
ten beeinflussen und welche Eigenschaften dafür verantwortlich sind. Der Fokus lag auf den
Feuchtetransporteigenschaften und dem Dehydrationsverhalten des Zementsteins.
Der aktuelle Stand der Technik zeigte bestehende Wissenslücken auf. Daten aus der Literatur
lieferten keinen klaren Zusammenhang zwischen Zementart und Abplatzverhalten sowie den zu
grunde liegenden Mechanismen. Zur Schließung dieser Lücke wurden Brandversuche an Betonen
mit vier verschiedenen Zementen (CEM I, CEM II/A-LL, CEM III/A, CEM II/B-Q) durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigten, dass der Einsatz klinkereffizienter Zemente zu einem erhöhten Abplatz
risiko führt. Während CEM I Beton nur Abplatzungen mit Tiefen bis zu 1.5 cm aufwies, wurden
in Betonen mit klinkereffizienten Zementen mit über 5 cm deutlich größere Abplatztiefen festge
stellt. Zur Analyse der Ursachen wurde der thermisch induzierte Feuchtetransport mittels 1H
NMR Relaxometrie untersucht. Dabei wurden kleinformatige Proben vor und nach einseitiger
Erwärmung gemessen. Auffällig war die erhöhte Ausgangsfeuchte in CEM III/A und CEM II/B
Q Betonen sowie verschiedene porengrößenspezifische Feuchteverteilungen. Zusätzlich wurden
insgesamt niedrigere Permeabilitäten bei Betonen mit klinkereffizienten Zementen festgestellt.
Die Messungen nach der Erwärmung zeigten unterschiedlich stark ausgeprägte Trocknungsfron
ten und Feuchteakkumulationen. Diese Unterschiede lassen sich jedoch nicht nur durch die Per
meabilität erklären. Untersuchungen zum Dehydrationsverhalten der verschiedenen Zementsteine
mittels XRD und TGA zeigten, dass klinkereffiziente Zemente zur Ausbildung thermisch stabi
lerer Hydratphasen neigen. Der Vergleich zwischen Dehydratation- und Trocknungsverhalten
zeigt, dass der Feuchtetransport stark vom Phasenbestand abhängt.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass infolge höherer Ausgangsfeuchten mehr Energie in
der Form von heißem Wasser gespeichert werden kann. Dies stellt zusammen mit niedrigeren
Permeabilitäten und geringerer Dehydration in einem Temperaturbereich bis zu 200 °C die Haupt
faktoren für die erhöhte Abplatzneigung in Betonen mit klinkereffizienten Zementen dar. Die
ii
Unterschiede zwischen den einzelnen Zementtypen lassen sich mit den präsentierten Daten je
doch nicht vollständig erklären.

Concrete exposed to fire, particularly in confined environments such as tunnels, can experience
explosive spalling. This phenomenon reduces the load-bearing cross-section and exposes the re
inforcement layer, thereby compromising the structural integrity of the building. At the same time,
the cement industry is striving to reduce the high CO₂ emissions associated with Portland cement
production by introducing blended cements. These cements partially replace clinker with supple
mentary cementitious materials, significantly lowering the overall carbon footprint. However, as
... mehr
the use of blended cements becomes more widespread, concerns about their behavior under fire
exposure are growing. Spalling is primarily driven by thermomechanical and thermohydraulic
mechanisms. Cement composition affects the microstructure, moisture content, and dehydration
behavior, all of which are impacting thermohydraulic processes.
Therefore, this thesis presents a comprehensive analysis of the spalling behavior of concrete made
with blended cements, focusing on the underlying thermohydraulic properties. The goal was to
assess how different blended cements influence spalling susceptibility and to identify the material
characteristics responsible for this behavior. The key areas of investigation included moisture
transport properties as well as the dehydration behavior of the cementitious matrix.
A review of existing literature revealed significant knowledge gaps. Specifically, no clear rela
tionship could be established between cement type and spalling susceptibility, nor are the under
lying mechanisms well understood. To address this, spalling experiments were conducted on ring
restrained specimens made with four cement types: CEM I, CEM II/A-LL, CEM III/A, and CEM
II/B-Q. The fire tests showed a marked increase in spalling susceptibility in concrete made with
blended cements. While the CEM I reference concrete exhibited only minor spalling (up to 1.5
cm), blended cement concretes suffered severe damage, with spalling depths exceeding 5 cm. To
understand the causes of these results, 1H-NMR relaxometry was used to analyze thermally in
duced moisture transport. Small scale cylindrical specimens were measured before and after heat
ing. The tests showed higher initial moisture content in CEM III/A and CEM II/B-Q concrete,
differences in pore-size-specific moisture distribution and overall lower permeability in all
blended cement concretes. After heating, variations in the depth of the drying front and the de
velopment of the moisture accumulation zone, the so-called moisture clogs, were observed. In
terestingly, these results did not correlate directly with the measured permeabilities, suggesting
that permeability alone is not the decisive factor in moisture transport during fire exposure. Fur
ther analysis of the dehydration and decomposition behavior by XRD and TGA revealed that
blended cement pastes exhibit greater thermal resistance. The dehydration behavior was in good
agreement with the development of the drying front suggesting that the mineral phase composi
tion has a strong influence on the thermally induced moisture transport and hence the differences
in spalling susceptibility.
The findings suggest that the greater amount of available energy in the form of hot water due to
higher initial moisture content, lower permeability, and less dehydration up to 200 °C is the main
contributor to the increased spalling tendency observed in blended cement concrete. However,
the differences between the single blended cement concretes are still not fully understood.